JP2005072326A - 積層型配線基板およびその製造方法、並びに電気装置とその実装構造 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｓｉ等の熱膨張係数の小さい電気素子とプリント基板等の熱膨張係数の大きい外部回路基板との間に介装されても高い実装信頼性の得られる積層型配線基板およびこれを用いた電気装置、並びに、その実装構造を提供する。
【解決手段】第１配線基板１と第２配線基板２とが接続用電極５を介して接続されている積層型配線基板Ａであって、第2配線基板２の０〜１５０℃における熱膨張係数が前記第１配線基板１の０〜１５０℃における熱膨張係数よりも大きく、かつ前記第2配線基板２は、それを構成する第2絶縁基板２ｂに、結晶相としてアルカリ金属のケイ酸塩またはアルカリ土類金属のケイ酸塩、もしくは前記アルカリ金属およびアルカリ土類金属の両金属のケイ酸塩のうちの少なくとも１種を含み、熱膨張係数が７〜１４×１０^−６／℃である。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層型配線基板およびその製造方法、並びに電気装置とその実装構造に関し、特に、異なる熱膨張係数を有する２種類の配線基板により構成され、高い実装信頼性と高速信号の伝送に適する積層型配線基板およびその製造方法、並びに電気装置とその実装構造に関するものである。

例えば、Ｓｉを主成分とする半導体素子に代表されるような電気素子は、極めてミクロな配線回路層を有する多数のトランジスタが高度に集積されたものであるが、トランジスタ数のさらなる増加により電気素子は大型化を余儀なくされている。また、このような電気素子においては、信号処理の高速化に対応するために、配線回路層の微細配線化、低抵抗化、および、層間絶縁膜の低誘電率化が図られ、これにより電気素子を構成するこれら配線回路層および層間絶縁膜の機械的強度は低下する傾向にある。

さらに、近年においては、電気素子の集積技術の発達により電気素子自体に立体構造物や可動部を有する機能部を形成することのできる工法が開発され、例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）と呼ばれる立体構造や可動部を有する電気素子も実用化されているが、こうした工法により作製された電気素子では機械的強度がますます低下しつつある。

そして、このようにミクロな配線回路層を有する電気素子を、パソコンや携帯電話あるいは液晶表示装置などの電子機器に組み込む場合には、電子機器を作動させる電源線など、マクロな配線とのサイズの調整を図るために、電気素子を、電気素子収納用パッケージ等の配線基板やプリント基板等の外部回路基板を用いて階層的に実装する形態が採られている。

さらには、下記の特許文献１によれば、図４に示すように、電気素子１０１と外部回路基板１０３との間に介装される配線基板として、電気素子側にセラミックス基板を用いた配線基板（以下、セラミックス基板１０５）を配置し、その下層の外部回路基板１０３側に接続用電極１０６を介して有機樹脂を含有する樹脂基板を用いた配線基板（以下、樹脂基板１０７）を配置し、２段構造としたものが提案されている。
特開平１０−２４７７０６号公報

しかしながら、上記したような積層型配線基板では、セラミック基板１０５の下層側に、通常、外部回路基板として用いられるプリント基板と同じガラスエポキシを有し熱膨張係数の大きな樹脂基板１０７が用いられているために、セラミック基板１０５との熱膨張係数差が未だ大きく、このため冷熱サイクルにおいてセラミック基板１０５と樹脂基板１０７との間に歪みによる破壊が生じやすく、実装信頼性が低下するという問題があった。

また、前述のように、電気素子１０１を大型化させたかあるいは高機能化させたために機械的強度の低くなった電気素子１０１を用いた場合には、電気素子１０１と、これを搭載するセラミックス基板１０５との間の熱膨張係数差に起因した熱応力のために電気素子１０１自体が破壊されやすいという問題があった。

従って、本発明は、Ｓｉ等の熱膨張係数の小さい電気素子とプリント基板等の熱膨張係数の大きい外部回路基板との間に介装されても高い実装信頼性の得られる積層型配線基板およびその製造方法、並びに電気装置とその実装構造を提供することを目的とする。

本発明者は、上記の課題に対して種々検討を行なった結果、Ｓｉ等を主体とする熱膨張係数の小さい電気素子とプリント基板等の熱膨張係数の大きい外部回路基板との間に介装される積層型配線基板を、熱膨張係数の異なる２つの配線基板を複数の接続用電極を介して構成する場合に、下層側の第2配線基板の０〜１５０℃における熱膨張係数を、上層側の前記第１配線基板の０〜１５０℃における熱膨張係数よりも大きくし、かつ前記第2配線基板は、それを構成する第2絶縁基板中に、アルカリ金属のケイ酸塩またはアルカリ土類金属のケイ酸塩、もしくは前記アルカリ金属およびアルカリ土類金属の両金属のケイ酸塩のうちの少なくとも１種を含ませ、その０〜１５０℃における熱膨張係数が７×１０^−６／℃〜１４×１０^−６／℃とし、かつヤング率を１５０ＧＰａ以下とすることにより、高い１次実装信頼性及び２次実装信頼性を兼ね備え、かつ積層型配線基板間の接続信頼性をも確保し、さらに高速信号の伝送に適した積層型配線基板を得ることが出来ることを知見し本発明に至った。

即ち、本発明の積層型配線基板は、セラミックスからなる第１および第２絶縁基板と、前記セラミックスからなる第１および第２絶縁基板の少なくとも表裏面にそれぞれ配線層を具備してなる第１および第２配線基板とからなり、前記第１配線基板の裏面の配線層と前記第２配線基板の表面の配線層とが接続用電極により接続されている積層型配線基板であって、前記第2配線基板の０〜１５０℃における熱膨張係数が前記第１配線基板の０〜１５０℃における熱膨張係数よりも大きく、かつ前記第2配線基板は、それを構成する前記第2絶縁基板中の結晶相として、アルカリ金属のケイ酸塩またはアルカリ土類金属のケイ酸塩、もしくは前記アルカリ金属およびアルカリ土類金属の両金属のケイ酸塩のうちの少なくとも１種を含み、その０〜１５０℃における熱膨張係数が７×１０^−６／℃〜１４×１０^−６／℃であり、かつヤング率が１５０ＧＰａ以下であることを特徴とする。

そして、上記積層型配線基板では、前記第2絶縁基板中に含まれる成分が、前記アルカリ金属のケイ酸塩がリチウムシリケートであること、前記アルカリ土類金属のケイ酸塩がエンスタタイト、フォルステライト、バリウムシリケートから選ばれる少なくとも１種以上であること、さらに、この絶縁基板中に、結晶層としてクォーツを含有することが望ましく、これにより熱膨張係数の大きな絶縁基板を得ることができる。

また、この第2絶縁基板は、少なくともＳｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ、Ｌｉ、Ｏを構成元素として含有し、かつＰｂの含有量が酸化物換算で０．１質量％以下である焼結体からなること、また、酸化物に換算した組成比で、少なくともＳｉＯ_２：４５〜８０質量％、ＭｇＯ：２〜３５質量％、ＣａＯ：１〜２０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：１〜１０質量％、Ｌｉ_２Ｏ：１〜１０質量％を含有し、さらに任意成分としてＫ_２Ｏ、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＺｒＯ_２の群から選ばれる少なくとも一種をその合量で０〜１５質量％含有すること、焼結体が結晶層としてさらにクォーツを含有することが望ましいものであり、その磁器の誘電率は７以下であることが望ましい。

また、上記積層型配線基板では、第１配線基板の０〜１５０℃における熱膨張係数が２．０×１０^−６／℃〜５．０×１０^−６／℃であること、接続用電極が、主成分として半田を含み、太鼓状であること、前記接続用電極の周囲に少なくとも有機樹脂を含有する充填剤が付与されていること、前記配線層が、銅、銀、金のいずれかを主成分として含有することが望ましい。

そして、上記の積層型配線基板は、少なくともＳｉＯ_２：４５〜８０質量％、ＣａＯ：１〜２０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：１〜１０質量％、Ｌｉ_２Ｏ：１〜１０質量％を含有し、さらに任意成分としてＫ_２Ｏ、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＺｒＯ_２の群から選ばれる少なくとも一種をその合量で０〜１５質量％含有するガラス粉末と、フィラー粉末とを混合した混合粉末と、有機バインダーおよび溶媒とを混合してスラリーを作製し、該スラリーをシート状に成形してグリーンシートを作製し、該グリーンシート上に、銅、銀、金にいずれかを主成分として含有する導体ペーストを印刷して配線パターンを形成する工程と、該配線パターンを形成した前記グリーンシートを複数積層して積層成形体を形成する工程と、該積層成形体を、大気中あるいは窒素雰囲気中で、７００〜１０００℃の温度で焼成し、第１配線基板を得ることができる。

次に、本発明の電気装置は、上記の積層型配線基板を構成する第１配線基板の少なくとも一方主面に複数の接続部を介して接続された電気素子を具備してなるとともに、前記第１配線基板と前記電気素子との０〜１５０℃における熱膨張係数差が５×１０^−６／℃以下であることを特徴とするものであり、この電気装置を構成する前記電気素子は、シリコンを主体とし、０〜１５０℃における熱膨張係数が４×１０^−６／℃以下であること、前記電気素子の面積をＤ１として、該Ｄ１が５０ｍｍ^２以上であり、かつ第１配線基板における主面の面積をＳ１としたときの比率Ｓ１／Ｄ１が１〜１．５の範囲であること、前記接続部が、主成分として半田を含み、太鼓状であること、前記接続部の周囲に少なくとも有機樹脂を含有する充填剤が付与されていることが望ましい。

さらに、本発明において、上記の電気装置により構成される実装構造は、電気装置を構成する第２配線基板の下層側に複数の接続用電極を介して外部回路基板を接続してなるとともに、前記外部回路基板と前記第２配線基板との０〜１５０℃における熱膨張係数差が１２×１０^−６／℃以下であることを特徴とするものであり、かかる実装構造に用いられる接続用電極は、主成分として半田を含み、太鼓状であることが望ましい。

以上、詳述したように、本発明によれば、少なくともＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＢａＯ、Ｂ_２Ｏ_３を所定量含有する混合粉末を７００〜１０００℃にて焼成し、第2配線基板の０〜１５０℃における熱膨張係数が前記第１配線基板の０〜１５０℃における熱膨張係数よりも大きく、かつ前記第2配線基板は、それを構成する第2絶縁基板に、結晶相としてアルカリ金属のケイ酸塩またはアルカリ土類金属のケイ酸塩、もしくは前記アルカリ金属およびアルカリ土類金属の両金属のケイ酸塩のうちの少なくとも１種を含み、その０〜１５０℃における熱膨張係数が７×１０^−６／℃〜１４×１０^−６／℃であり、かつヤング率が１５０ＧＰａ以下であることであるものを作製し、また、第１配線基板と半導体素子との０〜１５０℃における熱膨張係数の差が５×１０^−６／℃以下とした電気装置であり、さらに、前記第２配線基板の０〜１５０℃における熱膨張係数とプリント基板の０〜１５０℃における熱膨張係数との差を１２×１０^−６／℃以下とした電気装置の実装構造とすることにより、高速信号処理に適し、かつ高い１次実装信頼性及び２次実装信頼性を兼ね備え、さらに２つの配線基板間の接続信頼性をも確保できる。

以下、本発明について実施例を示す添付図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明の積層型配線基板を示す概略断面図であり、望ましい応用例の一つである。

本発明の積層型配線基板Ａは上層側の第１配線基板１と下層側の第２配線基板２とからなり、第１配線基板１の裏面に形成された配線層１ａと第２配線基板２の表面に形成された配線層２ａとが複数の接続用電極５により接続され構成されている。そして、本発明ではこれに限定されるものではないが、接続用電極５の周囲に少なくとも有機樹脂を含有する充填剤７が付与されている。

そして、本発明にかかる第１配線基板１は、絶縁基板（第1絶縁基板１ｂ）の表面および内部に配線層１ａが形成され、この配線層１ａはビアホール導体１ｃにより接続されており、第２配線基板２もまた、第１配線基板１と同様、絶縁基板（第２絶縁基板２ｂ）の表面および内部に配線層２ａが形成され、これらの配線層２ａはビアホール導体２ｃにより接続されている。

そして、本発明の積層型配線基板Ａでは、前記第2配線基板２の０〜１５０℃における熱膨張係数が前記第１配線基板１の０〜１５０℃における熱膨張係数よりも大きことを特徴とする。

本発明の積層型配線基板Ａを、かかる構成とすることにより、この積層型配線基板Ａの上下層側にそれぞれ配置される電気素子と外部回路基板との間の熱膨張係数差により生じる熱応力を、第１配線基板１および第２配線基板２の双方に分散させることが出来るため、積層型配線基板Ａおよびその接続用電極部５への応力集中を緩和することができる結果、電気素子と積層型配線基板Ａとの間の実装（１次実装）、及び、積層型配線基板と外部回路基板との間の実装（２次実装）の接続信頼性を確保することが可能となり、さらに、これら第１および第２の配線基板１、２間の熱応力を低減することができる結果、両配線基板間の接続信頼性を高めることが可能となる。

一方、第１配線基板１の熱膨張係数が、第２配線基板２の熱膨張係数よりも大きい場合には、電気素子と外部回路基板との間の熱応力は緩和されず、むしろ増幅されるため、積層型配線基板Ａの接続用電極５に亀裂が急速に伸展し、最終的に破壊に至り、接続用電極５が断線してしまうまでの時間が短くなるため、積層型配線基板Ａの接続用電極５の長期信頼性が著しく低下する。さらには、電気素子と第１配線基板１とが接続されている１次実装側、並びに、第２配線基板２と外部回路基板とが接続されている２次実装側へもさらに応力集中が生じる結果、１次実装および２次実装の接続に係る長期信頼性が損なわれる。

さらに、本発明の積層型配線基板においては、前記第2配線基板２は、それを構成する第2絶縁基板２ｂ中に、それを構成する前記第2絶縁基板２ｂ中の結晶相として、アルカリ金属のケイ酸塩またはアルカリ土類金属のケイ酸塩、もしくは、前記アルカリ金属およびアルカリ土類金属の両金属のケイ酸塩のうちの少なくとも１種を含み、その０〜１５０℃における熱膨張係数が７×１０^−６／℃〜１４×１０^−６／℃であり、かつヤング率が１５０ＧＰａ以下であることが重要である。

そして、本発明の第２配線基板２の０〜１５０℃における熱膨張係数は、さらに９×１０^−６／℃〜１１×１０^−６／℃の範囲が望ましく、ヤング率は１３０ＧＰａ以下、さらには１１０ＧＰａ以下であることがより望ましい。

本発明の積層型配線基板Ａを、かかる構成とすることにより、特に、シリコンを主体とする電気素子１１と第１配線基板１の熱膨張係数とを近似させたまま、第２配線基板２の熱膨張係数を有機樹脂を含有するプリント基板等の外部回路基板に近似させることができるため、機械的耐性に劣る電気素子１１を実装した場合でも、熱応力を低減することができる結果、電気素子１１の破壊を防止することができ、かつ前記有機樹脂を含有するプリント基板などの外部回路基板に実装できるため、優れた１次実装及び２次実装の長期信頼性を得ることが可能となる。

一方、前記第２配線基板２の０〜１５０℃における熱膨張係数が７×１０^−６／℃よりも小さい場合には、例えば、外部回路基板として有機樹脂を含むプリント基板を用いた場合に、その外部回路基板と第２配線基板２との間の熱膨張係数差が大きくなることによる熱応力が増加する。逆に、前記第２配線基板２の０〜１５０℃における熱膨張係数が１４×１０^−６／℃よりも大きい場合には、プリント基板等を用いる外部回路基板との間の熱膨張係数差は小さくできるものの、その第２配線基板２の上層側に配置される第１配線基板１並びにさらにこの第１配線基板１に搭載される電気素子１１との間の熱膨張係数差が大きくなることによる熱応力の増加が発生する。また、第２配線基板２のヤング率が１５０ＧＰａより大きい場合には、熱応力を緩和する作用の低下により、２次実装の長期信頼性を確保することが困難となる。

また、本発明では、前記第２配線基板２を構成する第２絶縁基板２ｂの誘電率を７以下、特に６．５以下、最適には６以下とすること、また、前記第２配線基板２を構成する配線層２ａに、銅、銀、金のいずれかを主成分として含有せしめることにより、高速信号をより低損失で伝送することが可能となる。

前記第２配線基板２として、上述したような特性を全て満足するために、本発明においては、前記アルカリ金属のケイ酸塩はリチウムシリケートであること、前記アルカリ土類金属のケイ酸塩はエンスタタイト、フォルステライト、バリウムシリケートから選ばれる少なくとも１種以上であることが望ましく、さらには前記第２の絶縁基板７が、少なくともＳｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ、Ｌｉ、Ｏを構成元素として含有し、かつＰｂが酸化物換算で０．１質量％以下である焼結体からなることが望ましい。

また、構成成分として、Ｓｉ、Ｏは、上記ケイ酸塩結晶相の主たる構成成分であり、これにＭｇ、Ｃａ、Ｌｉなどのアルカリ金属酸化物やアルカリ土類金属酸化物が加わることにより、熱膨張係数が大きなアルカリ金属ケイ酸塩やアルカリ土類金属ケイ酸塩が形成され、所望の熱膨張係数を得ることが出来る。さらに、Ａｌは、焼結体の耐薬品性や機械的強度を向上させるために含有させることが望ましい成分であるが、一方で、多量に添加しすぎると前述のケイ酸塩中に溶け込み、下記のような複合酸化物が形成され熱膨張係数が低下する。（リチウムシリケート＋Ａｌ_２Ｏ_３→スポジュメン）、（エンスタタイト＋Ａｌ_２Ｏ_３→コーディエライト）（バリウムシリケート＋Ａｌ_２Ｏ_３→セルジアン）、このような複合酸化物中へのＡｌ_２Ｏ_３の含有量は１〜１０質量％、さらには１〜７質量％、最も望ましくは１〜５質量％が好ましい。一方、Ｐｂは環境への影響の観点から、その含有量は、酸化物換算で０．１質量％以下、特に０．０１質量％以下に抑制されていることが望ましい。

さらに、前記第２絶縁基板２ｂとなる焼結体の、酸化物に換算した場合の組成比は、少なくともＳｉＯ_２：４５〜８０質量％、ＭｇＯ：２〜３５質量％、ＣａＯ：１〜２０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：１〜１０質量％、Ｌｉ_２Ｏ：１〜１０質量％を含有し、さらに任意成分としてＫ_２Ｏ、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＺｒＯ_２の群から選ばれる少なくとも一種をその合量で０〜１５質量％含有することが望ましく、これによりボイドの少ない緻密な焼結体を得ることができると同時に、上記アルカリ金属ケイ酸塩やアルカリ土類金属ケイ酸塩の結晶相を効果的に存在せしめ、かつ高い熱膨脹係数、低い誘電率、ヤング率１５０ＧＰａ以下を得ることができる。

さらには、この焼結体中には、結晶層としてさらにクォーツを含有することにより、さらに高い熱膨張係数および低い誘電率を得ることができる。

次に、上記詳述した第２配線基板２に対して、その上層側に配置される第１配線基板１については、この第１配線基板１の表面に搭載される電気素子１１とこの第１配線基板１との接続部９の長期接続信頼性を高めるうえで、０〜１５０℃における熱膨張係数は２×１０^−６／℃〜５×１０^−６／℃の範囲であることが望ましく、これにより電気素子１１と第１配線基板１との間の０〜１５０℃における熱膨張係数の差を５．０×１０^−６／℃以下にでき、発生する熱応力を緩和することができる。この場合、第１配線基板１および第２配線基板２は、上述したような特性を全て満足するためには、第1絶縁基板１ｂおよび第２絶縁基板２ｂが、ともに１０００℃以下で焼成可能な低温焼成磁器からなることが望ましく、特に、ガラス単独、あるいはガラスとセラミックフィラーとを組み合わせて焼成して得られるガラスセラミック焼結体からなることが特性の制御が容易であるという点で望ましい。

次に、本発明の第１配線基板１と第２配線基板２とを接続する接続用電極５は、主成分として半田を含み、その形状が太鼓状であることが望ましい。つまり、接続用電極５は半田ボール、高温半田ボール、柱状のカラム、球状の樹脂ボール表面を半田等の導電性物質にて被覆した樹脂含有導電性ボール等の各種接続用端子を用いて形成されたものであることが望ましく、こうすると、例えば、印刷により形成された薄い半田層を接続用電極５として用いる場合に比較して、接続する部位の高さを高くすることができるため、接続用電極５に集中する応力を緩和することができる結果、より高い接続信頼性を確保することが可能となる。

特に、上記接続用端子のなかでも、低コストであるという面で、溶融、被着された半田ボールあるいは高温半田ボールを介して接続されている構造が望ましい。

さらに、本発明の積層型配線基板Ａでは、第１配線基板１と第２配線基板２との接続用電極５の周囲に少なくとも有機樹脂を含有する充填剤が付与されていることが望ましく、これにより第１配線基板１と前記第２配線基板２とを強固に接着しつつ両配線基板１、２間の応力を緩和することができ、このことにより、さらに高い接続信頼性を得ることができる。このとき、充填剤のヤング率が低いほど、応力緩和効果が大きくなり、より高い接続信頼性を得る事ができる。そのためには、充填剤中に熱膨張係数を低下させるために添加される、例えば石英ガラスのような無機フィラーの量を、極力低減されることが望ましい。

次に、上記第１および第２配線基板１、２を構成する配線層１ａ、２ａは、銅、銀、金のいずれか１種を主成分として含有せしめることにより、高速信号をより低損失で伝送することが可能となるため望ましい。

本発明の積層型配線基板Ａの製造方法において、前記第２配線基板２は、７００〜１０００℃の熱処理において揮発せずに残留する成分を、酸化物に換算した場合の組成比で、少なくともＳｉＯ_２：４５〜８０質量％、ＣａＯ：１〜２０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：１〜１０質量％、Ｌｉ_２Ｏ：１〜１０質量％を含有し、さらに任意成分としてＫ_２Ｏ、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＺｒＯ_２の群から選ばれる少なくとも一種をその合量で０〜１５質量％含有するガラス粉末と、フィラー粉末とを混合した混合粉末と、有機バインダーおよび溶媒とを混合してスラリーを作製し、該スラリーをシート状に成形してグリーンシートを作製し、該グリーンシート上に、銅、銀、金にいずれかを主成分として含有する導体ペーストを印刷して配線パターンを形成する工程と、該配線パターンを形成した前記グリーンシートを複数積層して積層成形体を形成する工程と、該積層成形体を、大気中あるいは窒素雰囲気中で、７００〜１０００℃の温度で焼成し、第１配線基板を得ることを特徴とするものである。

本発明の積層型配線基板Ａを上記製造方法に従い製造することにより、上述した望ましい特性を全て満足した前記第２配線基板２を得ることができる。なお、本発明の第２配線基板２を製造するにあたっては、上記したガラス粉末とフィラー粉末とからなる混合粉末の構成に限らず、上記の金属酸化物の混合粉末を用いることもできる。

また、上記の焼結体を用いて配線層２ａやビアホール導体２ｃ並びに接続用電極５を有する第２配線基板２を作製するには、まず、例えば、平均粒径１〜１０μｍの上記混合粉末に適当な有機樹脂バインダー、溶媒等を添加した後、所望の成形手段、例えば、金型プレス、冷間静水圧プレス、射出成形、押出し成形、ドクターブレード法、カレンダーロール法、圧延法等により任意の形状に成形する。

次に、このセラミックグリーンシートにビアホール導体を形成するための貫通穴をパンチングやレーザー加工法などにより形成してその貫通穴内に、銅、銀、金の群から選ばれる少なくとも一種以上を主成分として含有する導体ペーストを充填するとともに、導体ペーストをスクリーン印刷法やグラビア印刷法等によって、接続用電極５のパターンを形成する。そして、必要に応じて上記と同様にしてビアホール導体２ｃおよび配線パターンを形成したグリーンシートを積層する。

また、この場合の配線層２ａの形成方法は上記印刷法に限定されるものではなく、所定の配線パターン状の金属箔を表面に形成した転写フィルムを前記グリーンシート表面に転写することによって形成することもできる。

次に、上記の成形体を焼成するにあたり、まず、成形のために配合したバインダー成分を除去する。バインダーの除去は、導体材料として銀、金を使用する際には５００℃前後の大気雰囲気中で行い、導体材料として銅を用いる場合には、７００℃前後の水蒸気を含有する窒素雰囲気中で行われる。

そして、７００〜１０００℃の酸化性雰囲気または非酸化性雰囲気中で０．２〜１０時間、特に０．５〜５時間焼成することによって、緻密な焼結体を得ることができる。

なお、上記焼成については銅等の導体材料と同時焼成する場合には、導体材料が酸化しない、窒素、窒素／水蒸気混合、窒素／水素混合雰囲気などの非酸化性雰囲気中で焼成される。これによって、配線層２ａやビアホール導体２ｃを有する第２配線基板が得られる。

図２は、本発明の電気装置の望ましい応用例の一つである電気素子として半導体素子を搭載した電気装置を示す概略断面図である。本発明の電気装置Ｂは、前記詳述した積層型配線基板Ａの一方主面に複数の接続部９を介して電気素子１１が搭載され構成されている。この場合、第１配線基板１と電気素子１１との０−１５０℃における熱膨張係数の差が５×１０^−６／℃以下であることが重要であり、特に４×１０^−６／℃以下、最適には３×１０^−６／℃以下であることが望ましい。本発明の電気装置Ｂをかかる構成とすることにより、電気素子１１と積層型配線基板Ａとの間の熱膨張係数差を小さくすることができる結果、両部材にはたらく熱応力を低減させることができる。そのため、特に、電気素子１１として、誘電率の低い多孔質の絶縁膜を用いた機械的耐性に劣る電気素子１１を用いた場合でも、電気素子１１の破壊を防止することができ、１次実装の長期信頼性を確保することが可能となる。

一方、第１配線基板１と電気素子１１との０〜１５０℃における熱膨張係数の差が５×１０^−６／℃よりも大きくなると、熱応力が大きくなりすぎる結果、電気素子１１が破壊したり、電気素子１１と第１配線基板１との間の接続部９の長期接続信頼性が確保できなくなる。

そして、本発明にかかる電気素子１１は、０〜１５０℃における熱膨張係数が４×１０^−６／℃以下であることが望ましく、特に、シリコンを主体とし前記多孔質の低誘電率の絶縁膜を用いた電気素子１１であることが望ましく、このような電気素子１１とすることで、高速信号処理を行う電気装置を得ることができる。その場合、電気素子１１の機械的耐性が従来の電気素子１１と比較して著しく低下しているため、このような電気素子１１を、上記した本発明の積層型配線基板Ａ上に実装し電気装置Ｂを構成することにより、１次および２次実装の長期信頼性を確保することができる。

また、電気素子１１の第１配線基板１の面積をＤ１としたときに、Ｄ１が５０ｍｍ^２以上であり、第１配線基板１における主面の面積をＳ１としたときの比率Ｓ１／Ｄ１が１〜１．５の範囲、特に、１〜１．４、さらに、１〜１．３の範囲であることが望ましい。Ｄ１が５０ｍｍ^２以上であれば、電気素子１１の集積度を大きくでき、かつ電気装置Ｂの性能を向上させることできる。

また、Ｓ１／Ｄ１を上記の比率とすることにより、相対的に第２配線基板２に対して第１配線基板１の表面積が小さくなるため、第１配線基板１と第２配線基板２の間に発生する熱応力を更に低減することができ、このことにより積層型配線基板Ａの接続部９の長期信頼性を更に高めることができる。さらには、第１配線基板１の大きさを小さくすることができるため、コストを低減する効果も期待できる。

また本発明では、接続部９の応力緩和効果のために、接続用電極５と同様、その周囲に少なくとも有機樹脂を含有する充填剤が付与されていること、また、その接続部９は、前記第１配線基板１と第２配線基板２とを接続に用いられる接続用電極５と同様、主成分として半田を含むことが望ましい。

図３は、本発明の電気装置の実装構造のうち望ましい応用例のひとつを示す概略断面図である。本発明の電気装置Ｂの実装構造は、前記電気装置Ｂを構成する第２配線基板２の下層側に、複数の接続用電極１５を介して外部回路基板Ｃが接続され構成されている。ここで、第２配線基板２の０−１５０℃における熱膨張係数と外部回路基板Ｃの０−１５０℃における熱膨張係数との差が１２×１０^−６／℃以下であることが重要であり、特に、１０×１０^−６／℃以下、最適には、８×１０^−６／℃以下であることが望ましい。

本発明の実装構造を上記構成とすることにより、第２配線基板２と外部回路基板Ｃとの熱膨張差により発生する熱応力を低減することができる結果、２次実装の長期接続信頼性を確保することができる。一方、両者の熱膨張係数の差が１２×１０^−６／℃よりも大きいと、第２配線基板２と外部回路基板Ｃとの間に発生する熱応力が大きくなりすぎる結果、両者の接続用電極１５に亀裂が伸展しやすくなり、最終的には、接続用電極１５が断線してしまい長期接続信頼性が損なわれ実用に耐えなくなる。

ここで、本発明の実装構造にかかる外部回路基板Ｃとしては、プリント基板が好ましい。プリント基板は、例えば、少なくとも有機樹脂を含む絶縁材料からなり、具体的には、ガラス−エポキシ系複合材料からなり、一般には０−１５０℃における線熱膨張係数が１４〜１８×１０^−６／℃のプリント基板等が用いられ、この絶縁基板の表面にＣｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｂ−Ｓｎなどの金属導体からなる配線１７が形成され、これに接続用電極１５が接着されている。接続用電極１５は、第１および第２配線基板１、２を接続する接続用電極５と同様、主成分として半田を含むこと、特に、鉛リッチな高温半田であること、また、その形状は太鼓状であることが好ましく、特に、半田ボールや球状の樹脂ボール表面を半田等の導電性物質にて被覆した樹脂含有導電性ボール、さらには、金属性のピンを備えたソケットタイプの各種接続用端子等を用いることにより、例えば、印刷により形成された薄い半田層に接続される場合に比較して、接続する部位の高さを高くすることができるため、接続用電極１５と配線層２ａもしくは配線１７との界面に集中する応力を緩和することができ、より高い接続信頼性を確保することが可能となる。

さらに本発明では、第２配線基板２と外部回路基板Ｃとを接続する接続用電極１５の一部あるいは全部の融点が、第１配線基板１と第２配線基板２とを接続する接続用電極５の融点よりも低いことが望ましい。つまり、接続部９および接続用電極５に半田を含む場合には、第１配線基板１と第２配線基板２との間、電気素子１１と第１配線基板１との間、および第２配線基板２と外部回路基板Ｃとの間の実装工程順に、半田の融点が低くなっていることが望ましい。半田の融点をこのような傾向にすることにより、一旦固着した接続部９もしくは接続用電極５、１５の次の実装工程での再溶融による断線を防止できる。

以上、図１〜３を基に詳述してきたが、本発明では上記の例以外であっても、本発明を逸脱しない範囲であれば効果を発揮できるものであり、上記例に限定されるものではない。例えば、上記例では電気素子１１としてシリコンを主体とする半導体素子、１次実装としてフリップチップ実装を採用しているが、電気素子１１としては、シリコン以外の材質の半導体素子や、また半導体素子に限らず上述のＭＥＭＳ等の電気素子材質を用いてもよく、１次実装形態もワイヤボンディング実装や各種バンプ等を用いた公知の実装方法を用途に応じて選択できる。

本発明の積層型配線基板の効果を確認すべく、以下のようにして評価用の積層型配線基板を作製した。第１配線基板としては、組成が、ＳｉＯ_２ ４５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３ ２２質量％、ＭｇＯ １８質量％、ＺｎＯ ６質量％、Ｂ_２Ｏ_３ ９質量％からなるガラス粉末 ７２質量％と、アルミナを含むフィラー粉末 ２８質量％とから調製した焼結体を第１絶縁基板としたもの、もしくはアルミナセラミックスにより構成されたものを準備した。なお、この第１配線基板の厚みは０．４ｍｍとした。

第２配線基板を構成する第２絶縁基板としては、表１に示すガラス粉末と、表２に示すガラス粉末とフィラー粉末からなる混合粉末により調製した焼結体、並びに、表３に示す複数種の金属酸化物により焼結体を調製し、それぞれの絶縁基板を用いて厚さ１ｍｍ、表面積１６００ｍｍ^２の第２配線基板を作製し、表面の配線層上に、Ｐｂ３６質量％−Ｓｎ６４質量％の共晶半田ペーストを印刷法にて印刷した。なお、配線層の大きさはφ０．２ｍｍ、電極の中心間距離を０．３５ｍｍとし、マトリックス状に配設した。

さらに、φ０．２ｍｍの共晶半田ボールを、半田を印刷した第２配線基板の表面の接続用電極上に載置し、その上に第１配線基板を位置合わせして載置し、リフロー処理を行った後、表４、表５に従い、第１配線基板と第２配線基板との間隙に充填剤としてアンダーフィル剤を注入、硬化させることにより積層型配線基板を得た。

続いて、シリコンを主体とし低誘電率の多孔質の絶縁膜を有する、０〜１５０℃における熱膨張係数が２．５×１０^−６／℃、表面積が１００ｍｍ^２の評価用の半導体素子を準備し、厚さ０．１ｍｍの半田を介して第１配線基板上に位置合わせして載置し、リフロー処理を行った後、これもアンダーフィル剤を半導体素子と積層型配線基板との間隙に注入し、硬化させることにより半導体素子をフリップチップ実装した。

さらに、第２配線基板の裏面の配線層と同様のパターンを有する配線を形成した、０〜１５０℃における熱膨張係数が１６×１０^−６／℃であるプリント基板を用意し、配線上に共晶半田ペーストを印刷法にて印刷した。なお、配線の大きさはφ０．８ｍｍ、電極の中心間距離１．３ｍｍとした。

前記プリント基板上に、φ０．８ｍｍのＰｂ９０質量％−Ｓｎ１０質量％の高温半田ボールを位置合わせして載置し、さらにその上に半導体素子を実装した積層配線基板を位置合わせして載置し、再度リフロー処理を行うことにより、半導体素子をフリップチップ実装した積層型配線基板をプリント基板上に実装した１次及び２次実装評価用サンプルをそれぞれ２０個作製した。

上記実装評価用サンプルを、０〜１００℃の温度範囲で温度サイクル試験を２０００サイクルまで行い、１００サイクル終了毎に半導体素子の破壊の有無を確認した。さらに、１次実装側、２次実装側、および積層型配線基板内の３箇所に関して抵抗値を測定し、断線の有無を確認し、素子の破壊あるいは断線時のサイクル数を表５に示した。ここで、２０００サイクルまで素子の破壊あるいは断線のなきものを合格とした。

表１〜５の結果から明らかなように、本発明に基づき、少なくともＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＢａＯ、Ｂ_２Ｏ_３を所定量含有する混合粉末を７００〜１０００℃にて焼成し、第2配線基板の０〜１５０℃における熱膨張係数が前記第１配線基板の０〜１５０℃における熱膨張係数よりも大きく、かつ前記第2配線基板は、それを構成する第2絶縁基板に、結晶相としてアルカリ金属のケイ酸塩またはアルカリ土類金属のケイ酸塩、もしくは前記アルカリ金属およびアルカリ土類金属の両金属のケイ酸塩のうちの少なくとも１種を含み、その０〜１５０℃における熱膨張係数が７×１０^−６／℃〜１４×１０^−６／℃であり、かつヤング率が１５０ＧＰａ以下であることであるものを作製し、また、第１配線基板と半導体素子との０〜１５０℃における熱膨張係数の差が５×１０^−６／℃以下とした電気装置であり、さらに、前記第２配線基板の０〜１５０℃における熱膨張係数とプリント基板の０〜１５０℃における熱膨張係数との差を１２×１０^−６／℃以下とした電気装置の実装構造とした試料Ｎｏ．４〜６、９、１１〜１３、１５、１６では、高速信号処理に適し、かつ高い１次実装信頼性及び２次実装信頼性を兼ね備え、さらに２つの配線基板間の接続信頼性をも確保できることがわかった。

一方、本発明外の試料Ｎｏ．１〜３、７、８、１０、１４では、２次実装側の接続部に過度の応力集中が生じて、２０００サイクル以下の温度サイクル数にて接続部の断線が生じた。

本発明は、前記した電気素子を搭載するための半導体装置として、特に、電気素子を大型化させたかあるいは高機能化させたために機械的強度の低くなった電気素子用として有用である。

本発明の積層型配線基板を示す概略断面図である。 本発明の電気装置を示す概略断面図である。 本発明の電気装置の実装構造を示す概略断面図である。 従来の積層型配線基板を示す概略断面図である。

符号の説明

Ａ 積層型配線基板
Ｂ 電気装置
Ｃ 外部回路基板
１ 第１配線基板
１ａ、２ａ 配線層
１ｂ 第１絶縁基板
２ 第２配線基板
２ｂ 第２絶縁基板
５ 接続用電極
７ 充填剤
９ 接続部
１１ 電気素子

Claims (19)

1. セラミックスからなる第１および第２絶縁基板と、前記セラミックスからなる第１および第２絶縁基板の少なくとも表裏面にそれぞれ配線層を具備してなる第１および第２配線基板とからなり、前記第１配線基板の裏面の配線層と前記第２配線基板の表面の配線層とが接続用電極により接続されている積層型配線基板であって、前記第2配線基板の０〜１５０℃における熱膨張係数が前記第１配線基板の０〜１５０℃における熱膨張係数よりも大きく、かつ前記第2配線基板は、それを構成する前記第2絶縁基板中の結晶相として、アルカリ金属のケイ酸塩またはアルカリ土類金属のケイ酸塩、もしくは前記アルカリ金属およびアルカリ土類金属の両金属のケイ酸塩のうち少なくとも１種を含み、その０〜１５０℃における熱膨張係数が７×１０^−６／℃〜１４×１０^−６／℃であり、かつヤング率が１５０ＧＰａ以下であることを特徴とする積層型配線基板。
2. 前記アルカリ金属のケイ酸塩がリチウムシリケートであることを特徴とする請求項１に記載の積層型配線基板。
3. 前記アルカリ土類金属のケイ酸塩がエンスタタイト、フォルステライト、バリウムシリケートから選ばれる少なくとも１種以上であることを特徴とする請求項１に記載の積層型配線基板。
4. 前記第2絶縁基板中に、結晶層としてクォーツを含有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の積層型配線基板。
5. 前記第2絶縁基板が、少なくともＳｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ、Ｌｉ、Ｏを構成元素として含有し、かつＰｂの含有量が酸化物換算で０．１質量％以下である焼結体からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載の積層型配線基板。
6. 前記第2絶縁基板が、酸化物に換算した組成比で、少なくともＳｉＯ_２：４５〜８０質量％、ＭｇＯ：２〜３５質量％、ＣａＯ：１〜２０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：１〜１０質量％、Ｌｉ_２Ｏ：１〜１０質量％を含有し、さらに任意成分としてＫ_２Ｏ、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＺｒＯ_２の群から選ばれる少なくとも一種をその合量で０〜１５質量％含有することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の積層型配線基板。
7. 前記第2絶縁基板の誘電率が７以下であることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか記載の積層型配線基板。
8. 第１配線基板の０〜１５０℃における熱膨張係数が２．０×１０^−６／℃〜５．０×１０^−６／℃であることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか記載の積層型配線基板。
9. 接続用電極が、主成分として半田を含み、太鼓状であることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか記載の積層型配線基板。
10. 前記接続用電極の周囲に少なくとも有機樹脂を含有する充填剤が付与されていることを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか記載の積層型配線基板。
11. 前記配線層が、銅、銀、金のいずれかを主成分として含有することを特徴とする請求項１乃至１０のうちいずれか記載の積層型配線基板。
12. 少なくともＳｉＯ_２：４５〜８０質量％、ＣａＯ：１〜２０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：１〜１０質量％、Ｌｉ_２Ｏ：１〜１０質量％を含有し、さらに任意成分としてＫ_２Ｏ、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＺｒＯ_２の群から選ばれる少なくとも一種をその合量で０〜１５質量％含有するガラス粉末と、フィラー粉末とを混合した混合粉末と、有機バインダーおよび溶媒とを混合してスラリーを作製し、該スラリーをシート状に成形してグリーンシートを作製し、該グリーンシート上に、銅、銀、金にいずれかを主成分として含有する導体ペーストを印刷して配線パターンを形成する工程と、該配線パターンを形成した前記グリーンシートを複数積層して積層成形体を形成する工程と、該積層成形体を、大気中あるいは窒素雰囲気中で、７００〜１０００℃の温度で焼成し、第１配線基板を得ることを特徴とする積層型配線基板の製造方法。
13. 請求項１乃至１１のうちいずれか記載の積層型配線基板を構成する第１配線基板の少なくとも一方主面に複数の接続部を介して接続された電気素子を具備してなるとともに、前記第１配線基板と前記電気素子との０〜１５０℃における熱膨張係数差が５×１０^−６／℃以下であることを特徴とする電気装置。
14. 前記電気素子は、シリコンを主体とし、０〜１５０℃における熱膨張係数が４×１０^−６／℃以下であることを特徴とする請求項１３に記載の電気装置。
15. 前記電気素子の面積をＤ１として、該Ｄ１が５０ｍｍ^２以上であり、かつ第１配線基板における主面の面積をＳ１としたときの比率Ｓ１／Ｄ１が１〜１．５の範囲であることを特徴とする請求項１３または１４に記載の電気装置。
16. 前記接続部が、主成分として半田を含み、太鼓状であることを特徴とする請求項１３乃至１５のうちいずれか記載の電気装置。
17. 前記接続部の周囲に少なくとも有機樹脂を含有する充填剤が付与されていることを特徴とする請求項１３乃至１６のうちいずれか記載の電気装置。
18. 請求項１３乃至１７のうちいずれか記載の電気装置を構成する第２配線基板の下層側に複数の接続用電極を介して外部回路基板を接続してなるとともに、前記外部回路基板と前記第２配線基板との０〜１５０℃における熱膨張係数差が１２×１０^−６／℃以下であることを特徴とする電気装置の実装構造。
19. 前記接続用電極が、主成分として半田を含み、太鼓状であることを特徴とする請求項１８に記載の電気装置の実装構造。

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